关于机械优化设计中的可视化方法

文/李渊 苏芳 张明慧

1 机械优化设计中可视化方法应用的必要性分析

可视化归属于计算方法的范畴，其能够借助图形对相关的物理现象进行描述，可使模型中的数学符号转化为各种几何图形，由此能使数据的表达更加直观、形象，有助于设计人员对计算过程进行模拟和交互控制。在传统的机械优化设计中，设计人员通常需要完成如下操作：对设计中变量的个数进行确定，依托优化问题构建数学模型，据此进行主程序的编制，并在主程序中选取包含优化方法的子程序，最后运行程序获得最优解。在相当长的一段时期内，机械工程设计领域中采用的都是这种方法。然而，通过实际应用后发现，该方法存在诸多的不足之处。比如，编写完的程序需要进行反复调试后才能使用，整个过程的工作量相对较大，耗时长，不利于效率的提升；又如，无法实现人机交互，致使设计人员不能实时了解优化的进展程度。近年来，随着技术的飞速发展，机械设备从最初简单的机器，变成了集光、机、电、液等多种先进于一身的产品，如果在机械设计中，仍然使用传统的优化方法，极有可能导致最终的设计无法满足实际需求。鉴于此，在机械优化设计中对可视化方法进行合理应用显得尤为必要。

2 可视化方法在机械优化设计中的具体应用

2.1 可视化的基本思路

构建数学模型是可视化方法在机械优化设计中应用的重要前提和基础，在这一过程中，应当确保模型构建使用的所有数据真实、可靠，并且能够反映出机械产品的特点。同时，构建的数学模型不宜太过复杂，因为复杂程度过高的模型会增大后续的计算量及计算难度。在对数学模型进行构建的过程中，应当充分以下几个方面的因素：设计变量、目标函数和约束函数。当模型建立好之后，便可将之可视化方法在机械优化设计中进行应用，以此为基础，创建人机交互界面，与此同时，需要对如下事项加以关注：利用可视化方法反映出优化计算的迭代过程，并确保计算结果的可视化。

2.2 可视化的实现过程

模型、计算过程及结果是优化设计中的关键因素，所以可视化的方法应用，需要实现这三个环节的可视化。图1为可视化的优化设计流程。

2.2.1 模型可视化

在可视化方法中，一个完整的数学模型应当至少包括两类函数，即目标与约束。设计人员可根据实际需要，对输入的目标函数进行增加或是删除，当所输入的目标函数达到要求之后，可通过点击界面中的确定按钮来完成输入。而数学模型中的约束函数即约束条件，它的输入与目标函数的方法基本相同，在此不进行累述。输入到数学模型中的函数全部都是以字符串的形式存在，需要将它们转化为可被计算机识别的图形，进而完成模型可视化。

2.2.2 计算过程可视化

按照具体的设计问题，设置初始参数，当所有的参数输入完毕之后，设计人员可以点击界面中的确定按钮，进入优化算法的选择页面，在该页面当中有多种参数设计选项，点击参数设置进行选取，再点击确定便可进入到优化跟踪页面，最后点击确定，即可开始优化计算，此时设计人员可借助可视化软件，绘制出迭代次数与目标函数之间的关系图像，由此可直观地看到增加函数值后的变化情况，若是优化结果不符合要求，则可终止运行，重新对参数进行设定，并进行计算，直至达到最优化的目标为止。

2.2.3 结果可视化

通过优化计算得出的结果中包含以下内容：初始数据值、迭代优化数据值以及优化结果数据值。在可视化的数学模型中，设计人员能够直观地看到这些数据值，由此可为进一步的分析研究提供参考依据。点击保存，可将优化后的结果以数据文件的形式存储到计算机系统当中。

2.3 可视化方法的运用实例

在机械领域中，各种型材的使用量相当较大，其中又以管棒类型材居多。在对此类型材进行加工的过程中，如果是在未优化的情况下直接下料，可能会导致原材料的浪费，从而造成生产成本增大，不利于经济效益的提升。通过可视化方法的应用，能够使这一问题得到有效解决。

2.3.1 基于可视化方法的下料数据输入

在对管棒类型材进行下料的过程中，一般是安好机械工程的应用需要截取相应的长度，由于不同的机械工程对长度需要有所不同，所以可设计一个可视化的交互界面，在这个界面当中，用户可按照具体情况任意输入长度，输入过程可以手动，也可以读取文件的形式完成。

2.3.2 建立模型

对于型材的下料问题而言，与之相关的数据模型实质上是截取方法矩阵与余量矩阵，简单来讲，就是构建一个包含各种可能的型材截取方法列表。由于型材下料种类的不同，所以获得的截取方法矩阵中的行数与列数均不同，相应的余量矩阵中的行数也会有所不同。因此，需要基于不同构的前提，对数学模型进行可视化构建。

图1：可视化的优化设计流程示意图

2.3.3 算法选取与结果可视化

因管棒型材的使用要保证完整性，所以其个数必须是整数解。鉴于此，可在模型中用舍入法来近似替代，这样可以获得最优的计算结果。管棒类型材的优化设计实质上是一个线性规划的过程，通过算法的合理选用，最终能够得到可视化结果，将该结果保存到计算机系统当中，可为后续的设计加工提供参考依据。

3 结论

综上所述，机械优化设计是一项复杂程度相对较高的工作，为缩短设计周期，提高工作效率和设计水平，设计人员应当在实际问题的解决中，对可视化方法进行合理运用。通过可视化建模和计算过程的可视化，力争在较短的时间内完成机械优化设计，从而使机械产品能够快速投入生产，为企业带来经济效益。